Sustav detekcije autonomnog mobilnog robota baziran na ultrazvučnom senzoru

Proširenje ultrazvučnog senzora dobra je nadopuna postojećem sustavu detekcije mobilnih robota. U potpunosti je dokazano u eksperimentalnim primjenama i ima određenu praktičnost u otkrivanju prepreka i prilagodbi položaja robota. Međutim, ovu metodu treba dodatno poboljšati u stvarnom vremenu i točnosti.

 

Jedan od najvažnijih u Ultrazvučni senzor razine za mobilne robote za stjecanje autonomnog ponašanja je stjecanje znanja o okolišu. To se postiže korištenjem različitih mjerenja ultrazvučnih senzora i izvlačenjem informacija iz tih mjerenja. Senzori kao što su vizualni, infracrveni, laserski i ultrazvučni svi se koriste u mobilnim robotima. Ultrazvučni senzori naširoko su korišteni u senzorskim sustavima mobilnih robota zbog svojih visokih troškova i jednostavne hardverske implementacije. Međutim, ultrazvučni senzori također imaju određena ograničenja, uglavnom zbog velikog kuta snopa, slabe usmjerenosti i nestabilnosti mjerenja udaljenosti (pod neokomitom refleksijom). Stoga se za kompenzaciju često koristi više ultrazvučnih senzora ili drugih senzora. Kako bi se nadoknadili nedostaci samog ultrazvučnog senzora i poboljšala njegova sposobnost dobivanja informacija o okolišu, ovaj rad dizajnira sustav detekcije koji se sastoji od integriranog ultrazvučnog senzora i koračnog motora.

 

1. Analiza principa i metode detekcije ultrazvučnih senzora

 

Osnovno načelo ultrazvučnog senzora je slanje (ultrazvučnih) paketa valova tlaka i mjerenje vremena potrebnog da se paketi valova odašilju i vrate u prijamnik.

 

Među njima je udaljenost između cilja i ultrazvučnog senzora; c je brzina ultrazvučnog vala (kako bi se pojednostavio opis, utjecaj temperature na brzinu vala ne uzima se u obzir kada se mjeri udaljenost o kojoj se raspravlja u nastavku; t je vremenski interval od emisije do prijema.

 

Budući da mjerenje udaljenosti ultrazvukom nije točkasto mjerenje. Ultrazvučni senzori imaju određene karakteristike difuzije. Emitirana ultrazvučna energija uglavnom je koncentrirana na glavnom režnju i slabi u obliku vala s obje strane osi glavnog vala, s kutom difuzije od oko 30 ° lijevo i desno. Zapravo, metoda proračuna formule tijekom vremena temelji se na uspješnoj, okomitoj refleksiji ultrazvučnih valova. Međutim, mobilnom robotu je teško osigurati stabilnost položaja vlastitog kretanja. Koristi se metoda detekcije kojom se ultrazvučni senzor fiksira na tijelo mobilnog robota. Kada mobilni robot odstupi od paralelnog zida, sustavu detekcije često je teško odrediti stvarnu udaljenost. Osim toga, kada se karakteristika divergencije ultrazvuka koristi za mjerenje prepreka, ona može pružiti samo informacije o udaljenosti ciljne prepreke, ali ne i podatke o smjeru i granici cilja. Ovi nedostaci uvelike ograničavaju praktičnu primjenu i promociju ultrazvučnih senzora.

 

Na temelju teorijske analize i kontinuiranog testiranja, ovaj rad koristi četverofazni koračni motor za pokretanje jednog integriranog ultrazvučnog senzora koji se okreće i formira dinamički senzorski sustav.

 

2 Sustav detekcije sastoji se od integriranog ultrazvučnog senzora i koračnog motora

 

2.1 Strukturni dizajn

 

Ultrazvučni senzor je zavaren na PCB ploču, ploča je izgrađena od čelične cijevi, a drugi kraj čelične cijevi je spojen na osovinu koračnog motora, a koračni motor je fiksiran ispod šasije robota. Kontrolni signal ultrazvučnog senzora i izlazni signal koji su povezani s kontrolnom pločom na karoseriji vozila preko signalne linije. Dodatno je ispred sonde ultrazvučnog senzora dodan konusni rukavac od pjenastog materijala, promjer gornjeg otvora je 22 mm, promjer donjeg otvora je 16 mm, a visina je 20 mm. Na taj način, kut snopa odaslanog vala i kut pod kojim se prima odbijeni val uvelike su ograničeni. Kako bi robot mogao prilagoditi svoje držanje, mora odrediti vlastiti smjer rotacije i referentni položaj. Stoga jednostavan fotoelektrični koder sastavljen od izravnog infracrvenog fotoelektričnog senzora i gramofona izrađujemo sami. Prikazana je distribucija 2 izravna infracrvena fotoelektrična senzora koji su vodoravno raspoređeni na središnjoj spojnoj liniji s obje strane karoserije automobila robota u ° . intervalima od 180 Okretna ploča i rotirajući krak spojeni su na koncentričnu kružnicu, kao što je prikazano vanjskim krugom na slici, 1, 3 linije ljestvice odvojene su za 27 ° ; linije ljestvice 2, 1 odvojene su za 180 ° , a linija ljestvice 1 i središte ultrazvučnog senzora nalaze se na istoj vodoravnoj liniji. Samo I provođenje koristi se kao referentna koordinata, I i II se istovremeno vode za određivanje smjera rotacije, a Ⅱ jedan prolaz koristi se kao navigacijska referenca kada se robot vraća duž zida.

 

Koračni motor pokreće integrirani ultrazvučni senzor na rotaciju, a smjer središnje osi ultrazvučnog senzora okomit na tijelo robota koristi se kao koordinatna referenca za njegovo vlastito podešavanje položaja. Koračni motor usvaja 4-fazni 4-taktni kut koraka od 1,8 ° i 1 korak po okretaju, ultrazvučni senzor detektira jednom i šalje mjernu vrijednost u gornje računalo preko serijskog priključka.

 

2.2 Dizajn hardvera sustava detekcije

 

Hardver sustava detekcije uglavnom se sastoji od kruga za generiranje ultrazvuka, kruga za prijem ultrazvuka, modula za kontrolu brzine koračnog motora, itd. Jezgra sustava je jednočip, koji uglavnom dovršava prijenos i prijem signala, upravlja koračnim motorom i prenosi podatke glavnom računalu robota za obradu.

 

Krug ultrazvučnog odašiljača koristi priključak P11 jednog čipa za izlaz impulsa odašiljača, a pokreće ga 74HC04 za povezivanje ultrazvučnog senzora. Oni povećavaju njegovu sposobnost izlazne struje i povećavaju udaljenost prijenosa ultrazvučnog senzora.

 

Ultrazvučni krug za prijem i obradu koristi integrirani krug. to je namjenski integrirani krug za infracrvene prijemnike. Ovdje se CX20106 koristi kao uređaj za pojačavanje i detekciju za primanje signala s ultrazvučnih senzora, a također su postignuti dobri rezultati. Nakon što pretpojačalo primi reflektirani signal od ultrazvučne prijamne sonde, ono pojačava signal uz naponsko pojačanje od oko 80 dB. Zatim se signal šalje do ograničavajućeg pojačala kako bi se pretvorio u pravokutni impuls, a zatim se frekvencija odabire pomoću filtra za filtriranje signala smetnji, frekvencija nositelja se filtrira pomoću detektora kako bi se otkrio naredbeni signal, a nakon oblikovanja, on se šalje na izlaz pinu 7 niske razine. Opadajući rub izlaza impulsa s pina 7 ulazi kroz INT0 priključak mikrokontrolera.

 

Krug odašiljača i krug prijemnika integriranog ultrazvučnog senzora koriste isti ulaz/izlaz pina senzora. Ako ulaz/izlaz nije izoliran, krug prijemnika i krug odašiljača bit će znatno pogođeni. CMOS dvosmjerni analogni prekidač koristi se za realizaciju izolacije prijenosa i prijema. Upravljački modul koračnog motora prihvaća način upravljanja prstenastim razdjelnikom impulsa L297 + dvostruki H-mosni integrirani krug snage L298. P1.6, P1.7 i P2.3 mikroračunala s jednim čipom povezani su na CW, sat i omogućuju upravljačke terminale L297 za kontrolu rotacije naprijed i nazad, signala sata, pokretanja i zaustavljanja motora.

 

2.3 Dizajn softvera sustava detekcije

Softver sustava detekcije uglavnom se sastoji od glavnog programskog modula, programskog modula usluge prekida, a ultrazvučni senzor ima modul za odašiljanje i prijem. Ovdje je uglavnom objašnjen glavni programski modul sustava detekcije.

 

Mjernim i upravljačkim modulima ultrazvučnog senzora i koračnog motora upravljaju različita mikroračunala s jednim čipom, tako da se senzorski sustav i gornje računalo mobilnog robota moraju oslanjati na liniju I/O priključka i serijsku asinkronu komunikaciju između mikroračunala s jednim čipom. Oznaka T se koristi za promjenu radnji. Kada su T=0 i OFF=0 zadovoljeni u isto vrijeme, to je uobičajeni proces detekcije ultrazvučnih senzora; kada je T=1, OFF=0, koristi se za podešavanje azimuta prije svakog mjerenja ciklusa; OFF=1 Čeka sljedeću radnju. Mjerač vremena T0 koristi se za izračunavanje vremena odjeka, tako da je vrijednost udaljenosti d=0,334 × (TH0 × 256+TL0)/2. jedan okidački impuls daje se koračnom motoru. Zatim odredite je li sljedeća radnja detekcija senzora ili podešavanje kuta azimuta samog robota, koji ulazi u novi ciklus.

 

3 Eksperiment i primjena sustava detekcije na mobilnom robotu

3.1 Pronađite točku najbližu zidu

 

U ovom radu, ideja dizajna pronalaženja najbliže točke zidu temelji se na ultrazvučnom mjerenju udaljenosti. Odaberite metodu mjerenja udaljenosti na vremenskoj razini i ograničite domet prijema ultrazvučnog senzora postavljanjem praga odjeka prijema i dodavanjem navlake za upijanje zvuka prije sonde. Izmjereni kut snopa je oko ± 20° na a

udaljenosti od 75 cm, a efektivni kut koji može primiti reflektirane valove je oko ± 40°.

 

Približna konusna zraka ultrazvučnog senzora određuje udaljenost refleksije najbliže točke svaki put kada mjeri udaljenost. Čak i ako kut snopa odstupa od isprekidane crte, stvarna udaljenost i dalje je vrijednost mjerena duž središnje crte snopa. Teoretski, udaljenost izmjerena unutar kuta odašiljačke zrake trebala bi biti ista, ali vrijeme udara ultrazvučnog senzora i postavka praga prijema, uključujući refleksiju od zida, imat će određeni utjecaj na mjerenje udaljenosti. Eksperimentalno izmjerena, unutar određenog kuta (približno ± 20° ), vrijednost mjerne udaljenosti se bitno ne mijenja, a susjedne su joj vrijednosti relativno blizu (ne više od 2 mm). Kada se kut otklona nastavi povećavati, promjene u susjednim mjernim vrijednostima također se značajno povećavaju. Stoga je jedna metoda korištenje ove dvije kritične točke za pronalaženje kuta između grede i zida (to jest, najbliže točke zidu), a koračni motor pokreće ultrazvuk da se okreće kako bi pronašao te dvije kritične točke. Kada se dvije susjedne vrijednosti neprekidno otkrivaju ispod 2 mm, smatra se da je ušlo u stabilnu zonu, a točka u kojoj se promjena događa prije i poslije postavlja se kao kritična točka. Sve točke unutar te kritične točke se bilježe, a zatim se izračuna središnja točka. Sredina je najbliža točka između zida i ultrazvučnog senzora. prikazuje skup izmjerenih podataka. Unutar 72 °～ 108° to je stabilno područje mjerenja udaljenosti. Izvan toga, susjedno odstupanje izmjerene udaljenosti prelazi 8 mm, a s kutom će se dodatno povećati kada se okrene na obje strane. Eksperimenti su provedeni mijenjanjem udaljenosti između integriranog ultrazvučnog senzora i zida unutar 50 cm i 200 cm. Kao rezultat toga, izmjerena pogreška okomitog kuta u odnosu na zid bila je ograničena na 2 kuta koraka.

 

3.2 Sustav detekcije primjenjuje se na robota za navigaciju duž zida

 

Autonomni mobilni roboti otkrivaju informacije o trenutnom okruženju tijekom kretanja. Podaci o udaljenosti otkriveni svaki put mjere se na temelju trenutnog položaja kretanja robota. Dok hoda pravocrtno duž zida, robot jamči točnost svoje putanje zajedničkom percepcijom mjerenja udaljenosti i vlastitog držanja. Ultrazvučno mjerenje udaljenosti ima široku primjenu. Nakon testiranja odnosa između kuta ultrazvučne detekcije i mjerenja udaljenosti, ultrazvučni senzori mogu se koristiti za mjerenje kuta azimuta karoserije vozila (za određivanje vlastitog položaja) prema metodi izračuna najbliže točke. Izmjerena najbliža točka je stvarna udaljenost između robota i zida. Referentne koordinate robota određuju izravni infracrveni senzor 1 na jednostavnom enkoderu, a najbliža točka se izračunava prema informacijama pohranjenim tijekom svakog koraka koračnog motora. Između referentnih koordinata i najbliže točke, kut koji prijeđe koračni motor koristi se za određivanje kuta otklona između robota i zida, a zatim se kut otklona prenosi u upravljački sustav pogona kotača za podešavanje kuta azimuta.

 

3.3 Potražite prepreke

 

Upotreba koračnog motora za pogon industrijski ultrazvučni senzor

 rotirati funkcionalno je sličan detekciji s više senzora. Mobilni roboti obično koriste višestruke ultrazvučne senzore oko tijela kako bi dobili više informacija, čime povećavaju raspon prepreka i određuju smjer cilja i informacije o granicama. Nasuprot tome, jedna prednost metode rotacije je da se gustoća detekcije može automatski prilagoditi prema čvrstoći prepreke. Broj dodatnih senzora ograničen je vlastitim uvjetima, a čvrstoća metode rotacije povezana je samo s kutom koraka koračnog motora. Povećanje gustoće detekcije može uvelike poboljšati rezoluciju kuta, čime se pojačava određivanje ciljanog smjera i informacije o granici.

 

Ovaj sustav je proširenje funkcije ultrazvučni senzor blizine i dobra nadopuna postojećem sustavu detekcije mobilnih robota. U potpunosti je dokazano u eksperimentalnim primjenama i ima određenu praktičnost u otkrivanju prepreka i prilagodbi položaja robota. Međutim, ovu metodu treba dodatno poboljšati u stvarnom vremenu i točnosti.